1工程介紹 如何解決設備運行中存在嚴重的能源浪費，不但是增強企業競爭力的要求，更是創建資源節約型社會的國策的要求。變頻調速技術是風機、水泵等設備調速技術的首選，也是該類技術發展的必然方向。對設備進行變頻改造后，可以大大降低企業的生產成本，降低生產設備的故障率，延長設備的使用壽命，產生較大的經濟效益和社會、環境效益，提高企業的綜合競爭力和發展后勁。用直接變頻調速技術取代傳統的風門擋板風量調節技術，改變風機的轉速來調節排風量，風量調節的快速性和精確性更好，可以實現節約電能的目的。 由于歷史原因，中州分公司鍋爐及熟料窯系統絕大部分風機的設計裕量較大，風機的額定流量遠遠大于生產系統實際所需的風量。為了滿足正常生產需要，不得不根據生產系統的工作情況調節風門擋板的開度，控制空氣流量。由于此類調節方式實際是電動機以額定轉速運行，通過提高管道阻力來控制風量的大小，風機長期處于高管阻運行狀態下，這樣大大增加了系統的管阻，使風機的實際工作點遠離了額定工作點，降低了系統的運行效率，再加上設計與實際運行情況相比有較大的設備動力儲備，設備存在著“大馬拉小車”的現象，造成了大量的能源浪費。不但影響了企業單位產品生產成本的降低，而且降低了企業產品的競爭力，限制了企業的長期發展。因此中州分公司決定對熟料窯5#、6#排煙機和鍋爐5#、6#引風機先進行變頻改造。 2可行性分析 我分公司的風機泵類機械設備主要進行轉速控制，以調節風量、閥門的開口度等方法完成工藝流程的要求。利用變頻裝置對風機進行轉速控制屬于有效的節電方法，它和一般常用的調節風門控制風量方法比較，有著明顯的節能效果。 變頻調速技術近年在低壓風機水泵類機械中得到廣泛的應用，同時交流變頻調速技術也正朝著大容量，高電壓和高性能的方向發展。在氧化鋁行業，大量的大功率風機和泵類設備目前仍采用通過擋板、閥門等方式調整供應流量，由于擋板、閥門等方式是通過提高管道阻力來達到降低流量的目的的，應用中造成了大量的能源浪費，這種工作方式已不能滿足現代工業的發展需要。并且是影響企業競爭力的關鍵因素之一。 用高壓變頻調速技術取代傳統的風門擋板風量調節（閥門控制流量）技術，改變風機（泵類）的轉速來調節風（流）量，調節的快速性和精確性更好，可以實現節約電能目的。本次改造的相關設備的參數見表1。 3設備選型及本次風機節能改造系統控制原理圖 高壓變頻器一般主要有下列幾種方案選擇； 一種為直接高壓控制（高成本），目前以采用美國羅賓康類似的無諧波變頻技術，由低壓模塊串接起來成為高壓輸出；，其優點是極低的諧波，但是需要專用輸入變壓器裝置，投入成本最高，低頻運轉時因為IGBT的飽和壓降串聯產生效率較低的問題。 第一種為三電平（四電平）控制（中等成本）由于功率半導體的耐壓較低，采用串聯方案以提高輸出電壓，與低壓變頻器技術類似：差異性在于輸出電壓提高一倍，輸出電流諧波較低等優點，比較適用于中壓場合（690～3300 v），容量也屬中等，由于也有使用IGCT高壓功率模塊，所以電壓也可以提高到6000v，但是目前市場應用較少。三電平變頻器的結構簡單，但二極管的增多、線路增多，況且每個IGBT的驅動波形不一致，也必將導致箝位和開關性能的不一致。功率元件的導通和關斷是由箝位二極管來保證的。箝位二極管的耐壓要求高，快恢復性能好，主器件數量多，致使系統結構相對復雜，而且擴展能力有限。 第三種為高低壓控制（低成木）。高低壓控制變頻器指利用變壓器將高壓降為低壓，再購買低壓變頻器裝置驅動低壓電機。此系統技術最成熟，可靠性最高，運行效率最高，投入成本最低，維修服務方便。中低容量電機（一般指2000kW以下）最適合使用。變壓器+690V變頻器+專用變頻電機就屬于此類。 另外還有高一低一高方式，即采用降壓變壓器+低壓變頻器+特殊升壓變壓器+電機的配置，由于輸出變壓器需特殊制造，成本高，功率因數低，效率低，自損耗大，笨重。系統性能差，可用于一般工藝調速，不宜于調速節能的應用。 本項目實施過程中，從節能效果上、較短的回收期、日常維護量和經濟效益等多方面指標上來進行綜合評價。根據綜合評價決定采用降壓變壓器+690V變額器+專用690V變頻電機的配置方式，此種配置運行效率高，投入成本低，維修服務方便，特別適用于改造項目。通過招標方式選用ABBACS800-04系列變頻器。考慮到排煙機、引風機都是非常重要的生產設備，如果變頻調速裝置出現故障將造成整條熟料窯、鍋爐系統的停產，造成重大經濟損失，因此設計上還考慮了工頻與變頻切換回路，用以保證一旦變頻器有故障時能夠用工頻狀態起動設備。 4項目實施及運行情況 2006年7月15日，開始高壓變頻改造的調試和試運行。變頻器運行至今狀態良好。 4.1節電分析 5#排煙機電機額定功率475kW，額定電流58.2A，平均工作電流為33A，平均負載率為54％，排煙機的閥門平均開度為40％。根據系統運行情況，考慮到排煙機的調速范圍和流量調整范圍，系統進行變頻改造節能計算分析如下： 由于風機、水泵屬平方轉矩負載，即電機負載轉矩與轉速的平方成正比，流量與電機的轉速成正比。而電動機輸出功率的一般表達式為 也就是說電動機的軸功率與電動機轉速的立方成正比,變頻改造后排煙機耗電量計算如下： 變頻排煙機提供的實際風量Q[SUB]2[/SUB]=40％Q[SUB]0[/SUB]，排煙機的實際轉速為N[sub]2[/sub]=40％N[sub]O[/sub] 考慮到變頻裝置、排煙機效率及送風壓力等情況，該值會高于理論計算值．在低速時相差更太，經驗值40％額定風量變頻改造后實際功率約為額定功率的25％左右，即P[SUB]2[/SUB]=P[SUB]0[/SUB]×0.25=119kW， 年用電量為W[SUB]2[/SUB]=P[SUB]2[/SUB]×24×300=87萬kW•h 由上分析可知，該排煙機進行變頻改造后，年節電量約為 W=W[SUB]1[/SUB]-W[SUB]2[/SUB]=194-87=107萬kW•h 4.2實際節電效果 表2是改造后的3#熟料窯5、6#排煙機實際日耗電量與沒有進行改造的2#熟料窯3、4#排煙機日耗電量對比表。 從實際節電效果看非常顯著，每天每臺窯節電6173kW•h。 單臺窯年節電6173×365=2253 145 kW•h即225萬kW•h左右。 由于目前仍處于試驗期間，風機轉速與熟料窯不同工況所需風量之間的對應關系仍處于摸索狀態，目前轉速為額定值的90％，實際滿足工藝需求的轉速仍有較大下降空間，因此節電效果應更加顯著。 5改造后的效果及分析 1）節電效果明顯 從實際節電效果看非常顯著，每天每臺窯節電6173 kW•h。而中州分公司現在同樣規格熟料窯7臺，如果均改造實施后，將每天共節電7×6173=43211 kW•h。 2）風量調節快速和精確 直接變頻調速技術取代傳統的風門擋板風量調節技術，改變風機的轉速來調節排風量，風量調節的快速性和精確性更好。 3）對設備無沖擊，提高了操作的安全性 改造后風機運行平穩、振動降低。 4）實現電機軟起動功能 減輕了啟動時對電網的沖擊，延長了電機壽命。 5）諧波干擾達到標準，諧波抑制效果良好 內置的濾波裝置使屯壓諧波含量小于3％，符合IEEE 519-1992和GB/T 14549-1993標準。 本次改造加裝的ABB duldt濾波器起到了保護電機絕緣、減少軸承電流的作用。電纜選型及施工嚴格按照規范進行，如動力電纜采用對稱屏蔽電纜，控制電纜同動力纜分層敷設、正確接地等。 6）各種保護功能完善 過流、過壓、欠壓、故障保護等功能可靠。 7）各種指示功能完備 具有輸入、輸出電流和電壓、運行頻率、故障顯示、運行狀態指示等功能。 8）操作簡便 同普通的ABB低壓變頻器的功能操作方式相似，功能設置和調整簡單方便。在上位機層次調節轉速簡便可靠。 9）排煙機、引風機設備運行規律進行了探索，逐步建立風機轉速與工藝參數之間的最佳對應關系。相應的設備操作規程進行了重建。 綜上所述項目實施后，節電效果顯著，同時實現了風量的精確調整，操作非常簡單清晰，并且系統可以反饋大量的現場運行數據，大大降低了現場操作人員的工作強度，提高了操作的舒適度。